CN109828363A - 一种实验动物可穿戴式微型在体成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实验动物可穿戴式微型在体成像系统。本可穿戴式微型在体成像系统将自聚焦透镜植入实验动物组织内，由承载装置固定自聚焦透镜并固定于实验动物体表。LED光源发出的激发光依次经聚光透镜、激发光滤光片后由二向分色镜依次反射入物镜和自聚焦透镜，自聚焦透镜将激发光入射至实验动物待观测的组织或器官内形成成像光；物镜接收自聚焦透镜返回的成像光，并将成像光向上经二向分色镜透射到二向分色镜正上方的反射镜，再经滤光片和消色差透镜成像在CMOS相机上。本发明可在任意时间、实验动物任意生理状态下通过承载装置固定于动物身上或从动物身上取下，方便与实验人员在实验动物多种生理活动下的实验操作和显微成像观察。

Description

一种实验动物可穿戴式微型在体成像系统

技术领域

本发明涉及了荧光成像的方法和系统，尤其是一种实验动物可穿戴式微型在体成像系统。

背景技术

生物成像技术可在组织及细胞水平上对生物体的生理状态和病理变化给出直观和准确的图像信息。在基础医学领域，研究者们多使用小鼠、大鼠等模式动物等结合成像技术探索组织器官生理功能和疾病的发生与发展。现阶段基础医学研究中常用的成像手段为组织切片显微荧光成像技术，即对死亡生物样本固定切片后在宽场荧光显微镜或荧光共聚焦显微镜下得到成像结果。但是此种成像方式只能观测到生物体死亡后的样本，无法展现生物体活体状态下的生理状态。在基础医学其他常用的成像手段也包括小动物CT成像，MRI成像以及双光子成像。相较于组织切片显微荧光成像，上述方法能够对活体小动物进行成像观测，但是因成像原理的限制，其分辨率和成像色彩上受限较大，且仅能在生物体麻醉状态下进行成像而非自由活动状态下进行成像。

因此随着生物成像技术在基础医学领域上逐步占有更加重要的地位，小动物在体成像技术也需更进一步的发展。现阶段急需一种使用方便的微型小动物可穿戴式在体成像系统，即能实现荧光显微技术的高分辨率多色彩的成像方法，也能够使得生物体在自由运动的过程中实时得到成像结果。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种实验动物可穿戴式微型在体成像系统，其能在生物体任何生理状态下实现荧光显微成像。

本发明的技术方案如下：

微型在体成像系统穿戴于实验动物身上，对实验动物待观测的特定组织器官的进行成像；微型在体成像系统包括自聚焦透镜、承载装置和微型成像装置，自聚焦透镜沿光轴方向的下部植入实验动物待观测的组织或器官内，自聚焦透镜沿光轴方向的上部暴露于空气中并固定于承载装置的下部，自聚焦透镜为细长圆柱体，细长圆柱体自上而下的中心轴为光轴。

承载装置固定在实验动物的体表，承载装置的上部连接微型成像装置，微型成像装置的空腔内自下而上依次固定有二向分色镜和反射镜，邻近二向分色镜的一侧沿水平方向依次设有激发光滤光片、聚光透镜和LED光源，二向分色镜相对于激发光滤光片倾斜45度布置，邻近反射镜的一侧沿水平方向依次设有滤光片、消色差透镜和CMOS相机，反射镜相对于滤光片倾斜45度布置。

微型成像装置底部的中心开有贯通至空腔的通孔，通孔内装有物镜，物镜的光轴与自聚焦透镜的光轴同轴布置。

LED光源发出的激发光依次经聚光透镜、激发光滤光片后由二向分色镜依次反射入物镜和自聚焦透镜，自聚焦透镜将激发光入射至实验动物待观测的组织或器官内形成成像光；物镜接收自聚焦透镜返回的成像光，并将成像光向上经二向分色镜透射到二向分色镜正上方的反射镜，再经滤光片和消色差透镜成像在CMOS相机上。

所述的承载装置包括平板和套筒，套筒上端的内壁面加工有内螺纹，套筒的下端固定在平板的中心并贯通平板，微型成像装置为带有空腔的圆柱体，圆柱体下端的外壁面加工有用于与内螺纹配合的外螺纹，微型成像装置通过螺纹连接在套筒上。

所述的套筒为圆柱套筒，圆柱套筒沿直径方向的两端上分别开有定位孔，两个螺钉分别穿过两个定位孔共同卡持自聚焦透镜的上部，使自聚焦透镜固定在承载装置上。

所述的平板为薄平板，薄平板中心的两侧对称开有用以配合安装固定件的固定孔，承载装置通过固定件固定在实验动物的体表，固定件包括颅骨钉或牙科水泥。

所述的LED光源和CMOS相机均连接到驱动电路板上，微型成像装置的顶部开有用于电缆伸出的孔，驱动电路板通过电缆连接到计算机，驱动电路板控制CMOS相机将成像后的图像信号传输到计算机上。

本系统的可穿戴是指本系统的微型成像装置能够在任意时间以及实验动物的任意生理状态下固定于实验动物上或从实验动物取下。

本发明通过将微型成像装置旋入承载装置，即可完成成像装置物镜与自聚焦透镜的光路耦合，整个过程将对实验动物的影响降到最低，也降低对成像情况的影响。微型成像系统允许实验动物长期佩戴成像设备承载装置自由活动，并且可以在活体动物自由运动情况下脑内成像。从而实现活体成像检测。

本发明的有益效果是：

本发明系统自重较轻，配重对称，可以固定于实验动物身上而不影响实验动物的自由活动，实现活体成像检测，由此进行相对较大范围的行为学实验。

本发明系统使用简单，不需要专门训练就能快速上手。

本发明系统运用荧光显微术的方法，可以实现活体动物在自由运动情况下脑内成像，方便与实验人员在实验动物多种生理活动下的实验操作和显微成像观察。

附图说明

图1是本发明实验动物可穿戴式微型在体成像系统整体装配图

图2是本发明承载装置

图3是本发明微型成像装置剖视图

图中，自聚焦透镜1、承载装置2、微型成像装置3、螺钉4、内螺纹5、套筒6、平板7、固定孔8、定位孔9、外螺纹10、LED光源11、聚光透镜12、激发光滤光片13、二向分色镜14、物镜15、反射镜16、滤光片17、消色差透镜18、CMOS相机19、驱动电路板20、电缆21。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明微型在体成像系统穿戴于实验动物身上，对实验动物待观测的特定组织器官的进行成像。特定组织器官的包括但不限于如脑组织、肝脏、脊椎和皮肤等。本系统的可穿戴是指本系统的微型成像装置3能够在任意时间以及实验动物的任意生理状态下固定于实验动物上或从实验动物取下。

具体实施中，实验动物包括且不限于常用实验动物如小鼠、大鼠、豚鼠和猴子等；系统成像时动物的生理状态包括且不限于自由活动、麻醉和死亡等状态。

如图1所示，自聚焦透镜1沿光轴方向的下部植入实验动物待观测的组织或器官内，自聚焦透镜1沿光轴方向的上部暴露于空气中并固定于承载装置2的下部，自聚焦透镜1为细长圆柱体，细长圆柱体自上而下的中心轴为光轴。

具体实施中，根据所使用的实验动物及所观测的组织器官不同选取自聚焦透镜1的长度以及数值孔径(NA)值。

如图1、图3所示，承载装置2固定在实验动物的体表，承载装置2的上部连接微型成像装置3，微型成像装置3的空腔内自下而上依次固定有二向分色镜14和反射镜16，邻近二向分色镜14的一侧沿水平方向依次设有激发光滤光片13、聚光透镜12和LED光源11，二向分色镜14相对于激发光滤光片13倾斜45度布置，邻近反射镜16的一侧沿水平方向依次设有滤光片17、消色差透镜18和CMOS相机19，反射镜16相对于滤光片17倾斜45度布置；

具体实施中，微型成像装置3的内部光路的实体配重基本对称。即CMOS相机19与LED光源11分布于空腔的两侧，反光镜16与二向分色镜14分布于空腔的中心轴向上，用于转置成像光至CMOS及光源光至物镜。

LED光源11采用小功率LED灯作为光源，功率约为2.56mW～5.50mW，具备功率小，能耗低和使用寿命长等优点。

微型成像装置3底部的中心开有贯通至空腔的通孔，通孔内装有物镜15，物镜15的光轴与自聚焦透镜1的光轴同轴布置，从而保证微型成像装置3能与植入实验动物的自聚焦透镜1快速对准。

具体实施中，微型成像装置3的主体为圆柱形，固定于承载装置上通过植入动物内的自聚焦透镜完成成像。微型成像装置3的材料包括但不限于塑料、3D打印材料等，配合安装各光路零件后整个装置总重不超过3g。微型成像装置高约15-50mm，底面半径约5-35mm，呈圆柱状，物镜15与装置同轴且位于整个装置最底部的中心，物镜15的下端略微伸出微型成像装置3的下端面。

微型成像装置3基于荧光显微镜的成像方式对实验动物进行成像，成像光路能够使得光束从光源出发后，分别经过透镜、激发滤光器、分色镜、透镜、物镜，得到信息后再经过透镜、分色镜、发射滤光器、透镜直到被微型CMOS相机接收。该成像光路是整个装置的主要部分，具体为：

LED光源11发出的激发光依次经聚光透镜12、激发光滤光片13后由二向分色镜14依次反射入物镜15和自聚焦透镜1，自聚焦透镜1将激发光入射至实验动物待观测的组织或器官内形成成像光；物镜15接收自聚焦透镜1返回的成像光，并将成像光向上经二向分色镜14透射到二向分色镜14正上方的反射镜16，再经滤光片17和消色差透镜18成像在CMOS相机19上。

如图2所示，所述承载装置2包括平板7和套筒6，套筒6上端的内壁面加工有内螺纹5，套筒6的下端固定在平板7的中心并贯通平板7，微型成像装置3为带有空腔的圆柱体，圆柱体下端的外壁面加工有用于与内螺纹5配合的外螺纹10，微型成像装置3通过内螺纹5外螺纹10的配合连接在套筒6上。

套筒6为圆柱套筒，圆柱套筒沿直径方向的两端上分别开有定位孔9，两个螺钉4分别穿过两个定位孔9共同卡持自聚焦透镜1的上部，通过旋入螺钉4来稳定自聚焦透镜1暴露于空气中的上端，从而使自聚焦透镜1固定在承载装置2上。

所述的平板7为长方形的薄平板，中间位置为带有内螺纹的套筒式凸台，用于稳定自聚焦透镜同时承载微型成像装置。薄平板中心的两侧对称开有用以配合安装固定件的固定孔8，承载装置2通过固定件固定在实验动物的体表，固定件包括但不限于颅骨钉或牙科水泥等。

具体实施中，承载装置2中间套筒式凸台高4-50mm，内半径约5-35mm，内壁有内螺纹。同时所述成像装置外壁有外螺纹。两者使用螺纹的旋转方式进行配合连接，保证上述光路物镜、成像装置、承载装置套筒三者同轴，以此实现安装装置时成像光路物镜和小动物脑内自聚焦透镜的快速对准。

所述的LED光源11和CMOS相机19均连接到驱动电路板20上，驱动电路板20作为装置总驱动及处理电路安装在微型成像装置3的顶部，驱动控制LED光源11和CMOS相机19，从而控制整个微型成像装置3微型成像装置3的顶部开有用于电缆21伸出的孔，驱动电路板20通过电缆21连接并传输数据到计算机，驱动电路板20控制CMOS相机19将成像后的图像信号传输到计算机上进行图像信号的处理并以供数据处理和分析。具体实施中，本发明采用5V的USB电源适配器并通过21供电至驱动电路板20，利用驱动电路20对LED光源11和CMOS相机19进行同步控制。

本发明的具体工作过程如下：

通过人工手术操作将自聚焦透镜1的下部植入实验动物待观测的组织与器官内，实验动物待观测的组织与器官包括但不限于如脑组织、肝脏、脊椎和皮肤等。

自聚焦透镜1的上部通过螺钉4固定在套筒6中，微型成像装置3螺纹旋入连接套筒6上，使自聚焦透镜1和微型成像装置3相耦合。

驱动电路板20控制LED光源11发出激发光源，经聚光透镜12汇聚，再经激发光滤光片13滤波后通过二向分色镜4将激发光源反射入物镜15，物镜15与自聚焦透镜1的光路耦合，激发光源经自聚焦透镜1入射到实验动物的特定组织器官内，并激发荧光形成成像光。

物镜15接收自聚焦透镜1返回的成像光，并将成像光向上透射穿过二向分色镜14，再依次经反射镜16反射至滤光片17、消色差透镜18后成像在CMOS相机19上，微型CMOS相机19接收成像光并形成图像信息。

微型CMOS相机19接收图像信息后，由驱动电路通过电缆11将数据传输至计算机进行处理。

本发明系统可以允许实验动物平时长期佩戴成像设备承载装置自由活动，同时也允许在任何情况下将成像装置快速拆除或安装在实验动物身上，由此实现了活体成像检测，从而进行相对较大范围的行为学实验。整个过程将安装时对实验动物的影响降到最低，也降低对成像情况的影响。

Claims (6)

1.一种实验动物可穿戴式微型在体成像系统，其特征在于：微型在体成像系统穿戴于实验动物身上，对实验动物待观测的特定组织器官的进行成像；微型在体成像系统包括自聚焦透镜(1)、承载装置(2)和微型成像装置(3)，自聚焦透镜(1)沿光轴方向的下部植入实验动物待观测的组织或器官内，自聚焦透镜(1)沿光轴方向的上部固定于承载装置(2)的下部；

承载装置(2)固定在实验动物的体表，承载装置(2)的上部连接微型成像装置(3)，微型成像装置(3)的空腔内自下而上依次固定有二向分色镜(14)和反射镜(16)，邻近二向分色镜(14)的一侧沿水平方向依次设有激发光滤光片(13)、聚光透镜(12)和LED光源(11)，二向分色镜(14)相对于激发光滤光片(13)倾斜45度布置，邻近反射镜(16)的一侧沿水平方向依次设有滤光片(17)、消色差透镜(18)和CMOS相机(19)，反射镜(16)相对于滤光片(17)倾斜45度布置；微型成像装置(3)底部的中心开有贯通至空腔的通孔，通孔内装有物镜(15)，物镜(15)的光轴与自聚焦透镜(1)的光轴同轴布置；LED光源(11)发出的激发光依次经聚光透镜(12)、激发光滤光片(13)后由二向分色镜(14)依次反射入物镜(15)和自聚焦透镜(1)，自聚焦透镜(1)将激发光入射至实验动物待观测的组织或器官内形成成像光；物镜(15)接收自聚焦透镜(1)返回的成像光，并将成像光向上经二向分色镜(14)透射到二向分色镜(14)正上方的反射镜(16)，再经滤光片(17)和消色差透镜(18)成像在CMOS相机(19)上。

2.根据权利要求1所述的可穿戴式微型在体成像系统，其特征在于：

所述承载装置(2)包括平板(7)和套筒(6)，套筒(6)上端的内壁面加工有内螺纹(5)，套筒(6)的下端固定在平板(7)的中心并贯通平板(7)，微型成像装置(3)为带有空腔的圆柱体，圆柱体下端的外壁面加工有用于与内螺纹(5)配合的外螺纹(10)，微型成像装置(3)通过螺纹连接在套筒(6)上。

3.根据权利要求2所述的可穿戴式微型在体成像系统，其特征在于：所述的套筒(6)为圆柱套筒，圆柱套筒沿直径方向的两端上分别开有定位孔(9)，两个螺钉(4)分别穿过两个定位孔(9)共同卡持自聚焦透镜(1)的上部，使自聚焦透镜(1)固定在承载装置(2)上。

4.根据权利要求2所述的可穿戴式微型在体成像系统，其特征在于：

所述的平板(7)为薄平板，薄平板中心的两侧对称开有用以配合安装固定件的固定孔(8)，承载装置(2)通过固定件固定在实验动物的体表，固定件包括颅骨钉或牙科水泥。

5.根据权利要求1所述的可穿戴式微型在体成像系统，其特征在于：所述的LED光源(11)和CMOS相机(19)均连接到驱动电路板(20)上，微型成像装置(3)的顶部开有用于电缆(21)伸出的孔，驱动电路板(20)通过电缆(21)连接到计算机，驱动电路板(20)控制CMOS相机(19)将成像后的图像信号传输到计算机上。

6.根据权利要求1所述的可穿戴式微型在体成像系统，其特征在于：本系统的可穿戴是指本系统的微型成像装置(3)能够在任意时间以及实验动物的任意生理状态下固定于实验动物上或从实验动物取下。